CN104467592A - 一种矢量控制的电气限滑差速器 - Google Patents

Abstract

本发明一种矢量控制的电气限滑差速器，包括异步电机一、异步电机二，所述异步电机一与异步电机二相同，并所述异步电机一与异步电机二相同的定子绕组串联连接，其中，所述电气限滑差速器还包括矢量变频器、电压检测一和电压检测二，所述电压检测一与异步电机一连接，所述电压检测二与异步电机二连接，矢量变频器计算异步电机一和异步电机二串联后的实际参数值，合并为一台虚拟的异步电机参数值，保存在所述矢量变频器的存储介质中。本发明实现了由一台矢量变频器同时对两台电机进行自动调谐和矢量控制的目的，实现了电气限滑差速控制，能同时完成对两台串联异步电机的自动调谐，并能完成矢量型电气限滑差速器的控制功能。

Description

一种矢量控制的电气限滑差速器

技术领域

本发明涉及电机控制技术领域，尤其涉及一种矢量控制的电气限滑差速器控制技术领域。

背景技术

汽车双驱动桥的轴间和驱动桥的轮间，配有机械式差速器平衡各车轮的转矩分配，当遇到复杂路况，一端车轮附着力降低时，就会出现车轮打滑现象，车辆一旦有个别车轮打滑，其它车轮就得不到汽车发动机提供的转矩，造成车辆被困，机械式限滑差速锁可以解决这个问题，当一侧车轮打滑时，相对一侧的车轮的输出转矩会根据两侧车轮的转差率增加而增加。但电动汽车轮边电机驱动系统无法使用机械式限滑差速器。然而，现有技术中公开了双转子异步电机，即一台双转子异步电机可以实现两个机械轴能量的独立传递，非常适合电动汽车驱动桥使用，但因其结构复杂，造价昂贵，双转子输出的旋转方向是相对的，所以还需配置昂贵的机械装置来改变某一端的旋转方向，限滑差速器依然摆脱不了机械式限滑差速锁，所以，不及放弃机械传动，只使用两台普通异步变频轮边电机分别驱动汽车车轮负载的驱动方式来得经济实惠。还有如中国专利申请(申请号：201320732665.2)公开了一种变频器一拖二串联连接异步电机的产品，虽然能对两台电机调整使两台电机的运转速度同步，可降低设备故障率，但因电机铭牌参数与两台电机的实际参数值差异过大，无法通过矢量变频控制的自动调谐，只能采用传统的恒压频比V/F控制方式，这种V/F控制方式使两台串联异步电机均呈现恒功率特性，主要特点是：不论转速高低，两台电机输出的功率大小基本相等，而转矩与转速成反比，转速高的一侧电机输出转矩小，转速低的一侧电机输出转矩大，只能运用在两个电机负载相对均匀的机械设备上，如双电机驱动的钢缆皮带机等，无法完成电动汽车转急弯或个别车轮附着力降低而出现打滑现象时的两端车轮驱动力合理分配要求，且当两台电机的转差率增加后效率很低，输出转矩不理想，更不能对两台定子串联的异步电机实施精确的矢量控制。随着变频技术的发展，变频调速装置在电动汽车行业得到了推广和运用，在现代变频器应用技术中，对于变频器的控制精度和控制电机输出力矩的要求也越来越高，迫切需要实现电动汽车轮边驱动电机的电气限滑差速，以及前后机械驱动桥的轴间电气限滑差速。但现有技术无法解决这一难题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种矢量控制的电气限滑差速器，实现了由一台矢量变频器同时对两台定子串联异步电机进行自动调谐，完成了同时对两台定子串联异步电机的矢量控制，实现了电气限滑差速控制

实现上述目的的技术方案是：

本发明一种矢量控制的电气限滑差速器，包括异步电机一、异步电机二，所述异步电机一与异步电机二相同，所述异步电机一与异步电机二相同的定子绕组串联连接，其中，所述电气限滑差速器还包括矢量变频器、电压检测一和电压检测二，所述电压检测一与异步电机一连接，所述电压检测二与异步电机二连接，所述电压检测一和电压检测二的开关量输出端并联且分别连接到矢量变频器的转矩参考量减少端子和数字量输入公用端子上；所述异步电机一或异步电机二的额定功率、额定电压、额定电流、额定频率、电机极数和额定转速值设定在矢量变频器的电机参数组中，并在所述矢量变频器控制参数组内设定其转矩参考量的减少比例；所述矢量变频器计算异步电机一和异步电机二串联后的实际参数值，合并为一台虚拟的异步电机参数值，保存在所述矢量变频器的存储介质中，其中：

所述矢量变频器的存储介质中所保存的虚拟的异步电机额定电压值，设定为异步电机一或异步电机二的额定电压的根号三倍，所述的虚拟的异步电机的额定功率设定为异步电机一或异步电机二的额定功率的二倍。

上述的一种矢量控制的电气限滑差速器，其中，所述异步电机一与异步电机二采用星形接法的定子串联连接，所述矢量变频器组件进行四象限运行控制。

上述的一种矢量控制的电气限滑差速器，其中，所述异步电机一与异步电机二采用三角形接法的定子串联连接，所述矢量变频器进行四象限运行控制。

上述的一种矢量控制的电气限滑差速器，其中，所述矢量变频器设置有输出端子U、V、W，所述输出端子U、V、W接入异步电机一。

上述的一种矢量控制的电气限滑差速器，其中，所述矢量变频器设置有输出端子U、V、W，所述接入输出端子U、V、W异步电机二。

上述的一种矢量控制的电气限滑差速器，其中，所述矢量变频器的存储介质为CPU或DSP芯片。

上述的一种矢量控制的电气限滑差速器，其中，所述矢量变频器的通讯端口联接远程操控系统的通讯端口。

本发明一种矢量控制的电气限滑差速器，实现了电气限滑差速控制，能同时完成对两台电机的自动调谐和精准矢量控制，使两台电机均呈现恒力矩特性，使负载重的一侧电机输出转矩大，转速较高；负载轻的一侧电机输出转矩小，转速较低；这样不但完成了电气差速器的使用功能，还实现了电气滑差差速锁的自动控制效果；由于实现了同时对两台电机的自动调谐和精准矢量控制，使两台串联电机的输出机械特性非常稳定，并且具有很高的动态响应能力，能够很好地完成电动汽车电气驱动桥等的节能和调速要求，有着优越的运行性能，无需机械传动机构，在电动汽车等诸多领域有着广阔的应用前景。

附图说明

图1是本发明一种矢量控制的电气限滑差速器的结构示意图。

图2是本发明一种矢量控制的电气限滑差速器初始工作流程图。

1-异步电机一；2-异步电机；3-矢量变频器；4-电压检测一；5-电压检测二；6-交流电源输入端子；7-正向运转端子；8-反向运转端子；9-运转准备就绪端子；10-外部输入端子；11-I/O公共端子；12-复位端子；13-转矩参考量减少端子；14-转速参考量给定一端子；15-转速参考量给定二端子；16-直流电源输入端子；17-通讯端口DP端子。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步说明。

请参阅图1和图2，本发明一种矢量控制的电气限滑差速器，包括异步电机一1、异步电机二2，异步电机一1与异步电机2二相同，并且异步电机一1与异步电机2二的定子绕组串联连接。异步电机一1的通用全称可为三相交流异步变频电机一，异步电机二2的通用全称可为三相交流异步变频电机二。

本发明还包括矢量变频器3、电压检测一4和电压检测二5，电压检测一4与异步电机一1连接，电压检测二5与异步电机二2连接，电压检测一4和电压检测二5的开关量输出端并分别联连接到矢量变频器3的转矩参考量减少端子13(DI:6)端口和数字量输入公用端子11(COM:I/O)上。检查异步电机一和异步电机二是否相同，不相同更换电机；如果是相同的，两台电机总容量是否为矢量变频器容量的20～120％，达不到要求，更换电机或矢量变频器的容量；如果符合要求，串联接通异步电机一和异步电机二到矢量变频器电缆，接通矢量变频器电源，

将异步电机一1或异步电机二2的额定功率、额定电压、额定电流、额定频率、电机极数和额定转速值设定在矢量变频器3的电机参数组中，并在矢量变频器3控制参数组内设定其转矩参考量的减少比例。矢量变频器3的转矩参考量减少端子13,可根据两台串联的异步电机的四象限运行状态和电压检测的开关量状态，相应减少转矩参考量，完成两台串联电机的过压保护功能。

矢量变频器3计算异步电机一1和异步电机二2串联后的实际参数值，合并为一台虚拟的异步电机参数值，保存进矢量变频器3的存储介质中。矢量变频器3的存储介质可为CPU或DSP芯片等。矢量变频器3的存储介质中所保存的虚拟的异步电机额定电压值，设定为异步电机一1或异步电机二2的额定电压的根号三倍，虚拟的异步电机的额定功率值设定为异步电机一1或异步电机二2的额定功率的二倍。矢量变频器3将两台定子串联的异步电机实际参数值以及经过计算的虚拟参数值保存在变频器参数组内，使两台定子串联异步电机在参数存储方面，表现为一台二倍于一台实际电机的功率、根号3倍于一台实际电机的额定电压值的普通型异步电机，进而矢量变频器3就可以对异步电机一1和异步电机二2进行矢量控制前的初次安装调试以及自动调谐过程。

异步电机一1与异步电机二2可采用星形接法的定子串联连接，矢量变频器3对异步电机一1与异步电机二2串联后组件进行四象限运行控制。异步电机一1与异步电机二2也可以采用三角形接法的定子串联连接，矢量变频器3对异步电机一1与异步电机二2串联后组件进行四象限运行控制。矢量变频器3设置有输出端子U、V、W，输出端子U、V、W可以接入异步电机一1，输出端子U、V、W也可以接入异步电机二2。

电压检测一4和电压检测二5是两个模拟量采集卡，当电压检测一4或电压检测二5检测到本电机过压，其开关量就会闭合，矢量变频器3即可得到输出参考量减少信号，从而减少输出电压，保护电机不至于长时间过压运行。

本发明利用矢量变频器3可通过直流电源输入端子16P+/N-供电，也可通过交流电源输入端子6即三相交流L1\L2\L3端子供电。矢量变频器3还有正向运转端子7、反向运转端子8、运转准备就绪端子9、外部输入端子10、I/O公共端子11、复位端子12、转矩参考量减少端子13、转速参考量给定一端子14和转速参考量给定二端子15，电压检测一4和电压检测二5的开关量输出端并分别联连接到矢量变频器3的转矩参考量减少端子13和数字量输入公用端子11上，矢量变频器3的通讯端口DP端子17可联接远程操控系统的通讯端口。矢量变频器3有强大的运算能力，其对异步电机进行自动调谐,根据调谐读出电机的参数，并做大量的运算，进行等效变换，是复杂的计算。例如，定子绕组的电阻和漏磁电抗、转子绕组的电阻和漏磁电抗的折算值等，一般用户是很难得到的，矢量变频器都已配置了自动检测电机参数的功能。矢量变频器设置有一个自动检测的操作程序，运行该程序，矢量变频器自动检测，得到的检测数据存入矢量变频器数据中心，并参与控制运算，此过程被称为自动调谐。本发明实现了同时对两台定子串联异步电机进行精确的矢量控制，在不改变矢量变频器原驱动程序的前提下，对两台定子串联异步电机的参数进行简单的叠加计算，即实现了由一台由矢量变频器3驱动两台电机的电气限滑差速器。

本发明是由矢量变频器3通过输出给两台串联定子的异步电机的电压，根

据两台电机的负载变化即两台电机的定子电阻值变化，根据欧姆定律，U＝IR,电压＝电流×电阻，当电流一定时，电压与电阻成正比，既I＝U/R,电阻增大时，电压也增大，电阻减小时，电压也相应减小。由公式可以看出，因在串联电路中，两台串联电机的电流都是一样大的，所以，在车辆行驶中，哪一台电机的负载增大，这台电机的转子与定子旋转磁场的转差就增大，定子电阻值相应增大，既负载大，矢量变频器分配给这一台电机的电压就越大。相对而言：哪一台电机的电阻值减小，这台电机的转子转速与定子旋转磁场的转差也相应减小，既这一台电机的负载减小，矢量变频器3分配给这一台电机的电压也越小；矢量变频器3通过在串联电路中电压的合理分配，从而实现两台串联电机间电气滑差差速锁功能的应用。因为本发明对两台串联电机的控制呈现恒力矩特性，当一侧电机的负载增加后，相应这一侧电机的输出功率和转速随负载的增加而增加，相对的一侧电机的输出功率和转速则会相应减小。例如，在矢量变频器3矢量控制两台串联异步电机运转中，若其中的异步电机一1的负载降低，其定子阻值也会相应的降低，矢量变频器3通过检测两台串联电机定子电阻的大小进行电压分配，会将更多电压既更大的功率传递给负载大的串联异步电机二2。反之亦然。

两台电机在初次安装调试时，矢量变频器3对两台定子串联的异步电机同时进行自动调谐和矢量控制，实现电动汽车两侧负载间电气限滑差速器功能，随着路况不断恶化，电动汽车两侧车轮间转差的不断增加，附着力消失一侧车轮开始打滑，此打滑车轮的电机转子的转速与定子旋转磁场的转差率减少，定子阻值开始相应降低，分配给此电机的电压相应降低，而另一侧附着力正常的车轮电机，整个车辆需要的行驶功率几乎全部转移到此重载电机的转子上，重载的电机转子转速与电机定子绕组上的旋转磁场转速的转差增大，从而使重载侧电机的定子绕组的阻值增加，矢量变频器3分配给重载电机的电压相对打滑电机也相应增加，使车辆驶出困境，因此不会发生因个别车轮打滑后造成其它车轮得不到动力而无法行驶被困，从而实现两台串联电机间电气滑差差速锁功能。

本发明实现的电气限滑差速器以及滑差差速锁系统是很实用的装置，能应用于汽车行业，例如燃油汽车的驱动桥，两轮之间有机械差速器，越野车有机械差速锁或限滑差速锁，就是两个轮子之间如果存在较大转差，低速端轮子能得到更多转矩，从而使车辆驶出困境。前后轮之间可称为中间差速锁，左右轮之间可称为轮间差速锁，本发明均能应用于电动汽车的中间差速锁和轮间差速锁，根据两个轮子的转差大小，分配转矩。

本发明将一台矢量变频器3用作驱动两台串联的异步电机，使矢量变频器3对一台虚拟的异步电机进行矢量控制，控制精度高。矢量变频控制的异步电机应用，机械特性稳定，并且具有很高的动态响应能力。矢量变频器3完成对两台定子串联的异步电机进行的自动调谐，达到矢量变频器3对两台定子串联异步电机的矢量控制，能够实现对两台电机间具有滑差差速锁功能的驱动系统精准控制。具体的：当采用矢量变频驱动二台串联异步电机时，矢量变频器3输出给两台串联电机的三相交流电频率、电压、电流相同，两台串联电机的各自定子绕组中同时产生两个转速相同的电磁旋转磁场，由于两台驱动车轮的电机的负载随路况变化而变化，相同的定子旋转磁场与不同的两个电机转子转速，其转差率影响到串联的两个定子阻值的相对变化，因矢量变频器3属于闭环控制，当矢量变频器3在运行中检测到虚拟的一台电机的定子阻值变化后，会影响到矢量变频器3对两台串联电机的输出电压的实时变化，从而达到矢量控制的目的。实施例：在车辆行驶时和转弯时，本发明异步电机一1和异步电机二2共同受一台矢量变频器3控制，完成电气限滑差速器功能；当车辆行驶中个别车轮附着力降低，一侧车轮打滑且车辆受困时，随着两台电机间的转差增大，本发明完成电气滑差差速锁功能，使打滑侧车轮电机电压降低，速度相应降低，重载侧车轮电机电压升高，转速相应升高，使车辆驶出困境。

以上结合附图实施例对本发明进行了详细说明，本领域中普通技术人员可根据上述说明对本发明做出种种变化例。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。因而，实施例中的某些细节不应构成对本发明的限定，本发明将以所附权利要求书界定的范围作为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种矢量控制的电气限滑差速器，包括异步电机一、异步电机二，所述异步电机一与异步电机二相同，所述异步电机一与异步电机二相同的定子绕组串联连接，其特征在于：所述电气限滑差速器还包括矢量变频器、电压检测一和电压检测二，所述电压检测一与异步电机一连接，所述电压检测二与异步电机二连接，所述电压检测一和电压检测二的开关量输出端并联且分别连接到矢量变频器的转矩参考量减少端子和数字量输入公用端子上；所述异步电机一或异步电机二的额定功率、额定电压、额定电流、额定频率、电机极数和额定转速值设定在矢量变频器的电机参数组中，并在所述矢量变频器控制参数组内设定其转矩参考量的减少比例；所述矢量变频器计算异步电机一和异步电机二串联后的实际参数值，合并为一台虚拟的异步电机参数值，保存在所述矢量变频器的存储介质中，其中：

所述矢量变频器的存储介质中所保存的虚拟的异步电机额定电压值，设定为异步电机一或异步电机二的额定电压的根号三倍，所述的虚拟的异步电机的额定功率设定为异步电机一或异步电机二的额定功率的二倍。

2.根据权利要求1所述的一种矢量控制的电气限滑差速器，其特征在于：所述异步电机一与异步电机二采用星形接法的定子串联连接，所述矢量变频器组件进行四象限运行控制。

3.根据权利要求1所述的一种矢量控制的电气限滑差速器，其特征在于：所述异步电机一与异步电机二采用三角形接法的定子串联连接，所述矢量变频器进行四象限运行控制。

4.所根据权利要求1～3任一所述的一种矢量控制的电气限滑差速器，其特征在于：所述矢量变频器设置有输出端子U、V、W，所述输出端子U、V、W接入异步电机一。

5.所根据权利要求1～3任一所述的一种矢量控制的电气限滑差速器，其特征在于：所述矢量变频器设置有输出端子U、V、W，所述接入输出端子U、V、W异步电机二。

6.根据权利要求1所述的一种矢量控制的电气限滑差速器，其特征在于：所述矢量变频器的存储介质为CPU或DSP芯片。

7.所根据权利要求1所述的一种矢量控制的电气限滑差速器，其特征在于：所述矢量变频器的通讯端口联接远程操控系统的通讯端口。